大斷面隧道風筒空間布置參數 對風流流動及瓦斯擴散規律的影響研究

孟祥昌 李永沖 熊建龍 王凱

摘 要：為優化大斷面公路瓦斯隧道掌子面的風筒空間布置參數，降低掌子面瓦斯聚集超限問題，以召瀘高速白兆瓦斯隧道為研究對象，通過數值模擬壓入式風筒在不同附壁水平距離、垂直距離、風筒出口距掌子面的距離工況參數下的風流特性及瓦斯擴散，確定風筒合理的安裝方式和布置層位。結果表明：風筒附壁平距和垂距分別為2.25m和4.5m時，掌子面附近工作區受渦流和回流作用較小，瓦斯質量分數低于0.1%;風筒出口距離掌子面的距離為25.6m工況下，在兼顧施工經濟性和安全性的同時，掌子面瓦斯不易積聚，隧道中后部瓦斯質量分數低于0.071%。按照模擬結果得出的風筒合理布置參數在現場實際應用，對比結果顯示兩種情況下的速度和瓦斯質量分數變化規律基本吻合，充分說明了風筒空間布置參數的合理性，研究結果對大斷面瓦斯隧道災害防治具有一定的指導意義。

關鍵詞：瓦斯隧道;風筒布置;合理層位;風流特性;瓦斯擴散

中圖分類號：U453.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0187-06

Study on the Effects of Spatial Layout Parameters of Large Section Tunnel Air Duct on Wind Flow and Gas Diffusion Law

Meng Xiangchang1， Li Yongchong2，3， Xiong Jianlong2，3， Wang Kai2，3

（1. Yunnan Yunling Expressway Engineering Consulting Co.， Ltd.， Kunming 650000， China;2.Sichuan Institute of Coal Field Geological Engineering Exploration and Design， Chengdu 610072， China;3.Sichuan Keyuan Coal Mine Gas Coal Bed Methane Engineering Research Center Co.， Ltd.， Chengdu 610072， China ）

Abstract：In order to optimize the space layout parameters of the tunnel face of the large-section highway gas tunnel and reduce the problem of gas accumulation overrun on the tunnel face， the Zhaolu high-speed white mega gas tunnel is taken as the research object. By numerically simulating the wind flow characteristics and gas diffusion under different operating conditions of the horizontal wall distance， vertical distance， and the distance between the outlet of the air cylinder and the tunnel face， the reasonable installation method and layout of the air cylinder are determined. The results show that the horizontal distance and vertical distance of the attached wall of the wind cylinder are 2.25m and 4.5m respectively. The working area near the tunnel face is less affected by eddy currents and backflow， and the gas mass fraction is less than 0.1%. The distance between the outlet of the air duct and the tunnel face is 25.6m， while considering the construction economy and safety， gas on the tunnel face is not easy to accumulate， and the gas mass fraction in the rear of the tunnel is less than 0.071%. According to the simulation results， the reasonable layout parameters of the air cylinder are actually applied in the field. The comparison results show that the speed and gas quality scores in both cases are basically consistent. It fully illustrates the rationality of the spatial layout parameters of the wind cylinder， and the research results have certain guiding significance for the disaster prevention of large-section gas tunnels.

Key words：gas tunnel; air duct layout; reasonable horizon; wind flow characteristics; gas diffusion

隨著我國公路建設事業的快速發展，隧道工程正逐漸向“大、深、長、群”的戰略格局邁進[1]。然而，我國西南地區地質條件復雜，施工地質災害隨處可見，在經濟性、技術可行性、選址等因素的制約下，公路隧道不可避免地會穿越賦存瓦斯的煤系和石油天然氣地層，在這些特殊地層條件的隧道施工常會遭遇瓦斯爆炸等災害事故，對隧道工程建設和施工人員、設備的安全構成極大威脅和挑戰[2-4]。目前，國內外絕大部分公路瓦斯隧道施工采用局部通風技術，稀釋并排出獨頭隧道中聚集的瓦斯，確保隧道掌子面作業區域的施工安全[5-6]。因此，研究大斷面瓦斯隧道壓入式通風技術是目前防止隧道瓦斯超限的重要內容。王海橋[7]研究了獨頭隧道壓入式受限貼壁射流通風的風流流動特性，為風筒空間參數的合理布置提供了參考依據。張云龍等[8]基于工程實際案例分析了隧道掌子面因風筒布設方式的不同對瓦斯稀釋的效果，認為風筒末端最佳位置為13m，可以有效稀釋瓦斯濃度。劉春等人研究了壓入式大斷面瓦斯隧道瓦斯分布及風流變化規律，優化了掌子面的風筒位置參數，確定給了風筒出口最佳位置2.5倍的隧道斷面積[9]。張大明[10]模擬分析了壓入式風筒出口有效距離，結果表明5～12m的距離具有較好的工作效果。Javier Tora?o[11]通過CFD軟件分析局部通風情況下斷面不同位置的瓦斯風流分布規律，同時提供了最佳的通風方案。朱紅青[12]采用數值模擬研究了大斷面隧道壓入式風筒不同安設高度對炮煙和粉塵擴散規律，并確定了最佳的安設高度為3m。龔曉燕等[13]對風筒不同附壁距離進行了數值模擬分析和現場驗證，發現了受限貼附射流在不同附壁距離下的流動特性及變化規律。雖然上述研究成果對隧道風筒布置具有一定的指導作用，而實際大斷面瓦斯隧道風筒的布置與風筒不同垂距、平距、出口距離等因素密切相關，因此，亟待開展大斷面瓦斯隧道的風筒布置方式對瓦斯分布和風流特性的研究。鑒于此，本文采用數值模擬的研究方法，全面系統地分析了大斷面瓦斯隧道在不同風筒布置參數下的流場特性和瓦斯濃度分布規律，探討風筒空間布置方式對風流流動及瓦斯擴散規律，確定大斷面瓦斯隧道風筒的最佳布置參數，從而減少瓦斯積聚現象，提高通風效率，為該類隧道施工通風技術提供指導。

1 工程概況

召瀘高速白兆隧道位于云南省曲靖市，為分離式隧道，隧道全長1250m，最大埋深117m。隧道穿越第四系（Q）、三疊系下統飛仙關組（T1 f）、二疊系上統宣威組（P3x）和峨眉山玄武巖組（P3 β）地層。隧道含煤地層左線起訖樁號ZK8+750～ZK9+350、右線起訖樁號K8+750～K9+350，總共1200m。由東至西單線主要穿過C10、C14、C17、C22共4層可采煤層，純煤總厚度為4.71m。通過前期地質勘察及現場測定，隧道絕對瓦斯涌出量為2.5m3/min。根據《公路瓦斯隧道技術規程》及大斷面瓦斯隧道的實際情況，隧道壓入式風筒直徑d=1.5m，根據文獻[7]的計算公式和工程實測數據，計算出隧道風排瓦斯需風量、洞內最大工作人數需風量、最低風速以及排除炮煙所需風量分別為4920m3/min，4355m3/min，4615m3/min和4380m3/min，取其需風量的最大值4920m3/min作為模擬的通風量Qin。

2 數學模型及模擬參數

2.1 數學模型

為方便數值計算，計算模型作如下設定：整個瓦斯涌出及通風過程無能量交換;隧道內空氣為不可壓縮體;流體運動各向同性。基于以上假設[14]，再考慮隧道內的空氣流動為紊流，在大量的資料調研及初步計算的基礎上擬采用標準k-ε雙方程紊流模型，其控制方程包括連續性方程、動量方程、紊流流動能量方程、k方程、ε方程和流體組分質量守恒方程。

紊流流動能量方程：

k方程：

ε方程：

質量守恒方程：

式中：υi為速度分量;ρ為時均壓力;Pr為充分紊流時的普朗特數;Cp為空氣的定壓比熱;k為紊流動能;ε為紊流的動能耗散率;G為紊流脈動動能產生項;q為熱流密度;T為流體溫度;ρ為流體密度;μ為層流動力黏性系數;μt為紊流動力黏性系數;cs為瓦斯的體積分數;ρcs為瓦斯的質量體積分數;Ds為瓦斯的擴散系數;Ss為單位時間單位體積組分的生產率;c1、c2、σε、σk、cμ為經驗常數。

2.2 邊界條件

本文以召瀘高速白兆隧道實際尺寸建立三維幾何模型，如圖1所示。模型整體劃分為隧道（150m）和煤體（20m）兩部分，隧道斷面面積為164m2。數值模擬計算采用的邊界條件參照隧道實際施工通風情況并作如下定義：

（1）隧道壁面及風筒：設為無滑移壁面（Wall），滿足無滑移條件，即vi=0。

（2）風筒進風口：設為速度入口（Velocity-inlet），方向垂直于入口斷面，根據隧道風量換算得v=46.42m/s。

（3）隧道出口：設為壓力出口（Pressure-out），出口基準壓力為標準大氣壓，對隧道內風流不造成任何影響。

（4）煤體：設置為多孔介質（Porous-zone），并加入瓦斯涌出源項為3.9e-5kg/s。

2.3 網格無關性檢驗

為了得到更準確的數值模擬結果，采用workbench mesh對物理模型進行網格劃分，通過網格獨立性檢驗，生成了3種不同網格密度模型，如圖2所示，以隧道內的測線（-5m、2.5m）速度作為分析評估的標準。通過對比發現Mesh-low和Mesh-medium速度在掌子面附近波動比較大，而Mesh-high條件下速度波動較小且平滑過渡，為了節省計算資源和時間，通過應用網格自適應功能，選擇Mesh-high作為研究對象，共生成了1384704個網格，降低了網格質量對計算準確的影響。

3 風筒空間布置方式模擬方案

為了研究大斷面隧道風筒空間布置參數對于隧道風流流動和瓦斯分布的影響，通過分析現場施工、安裝條件、作業交替等條件，確定不同工況下風筒布置參數（如圖3所示）。依據風筒懸掛方式及固定條件，將壓入式貼壁風筒距離隧道壁面的水平距離H分別設置為1.0d、1.5d、2.0d。根據巷道斷面高度及現場車輛通行，將壓入式風筒距地面垂直距離V設定為3組，分別為2.0d、3.0d、4.0d。基于隧道斷面面積與射流發展規律，壓入式風筒出口距離掌子面的距離L根據式（7）設置為四種工況[15]。

式中：L為風筒出風口距掌子面的距離，m;S為隧道斷面積，m2。

4 數值模擬結果分析

4.1 風筒附壁水平距離對風流流動及瓦斯濃度分布

的影響

為了分析大斷面瓦斯隧道風筒附壁水平距離對風流特性及瓦斯分布規律，根據圖3模擬方案將風筒平距H分別設定為1.5m、2.25m、3.0m三組，垂距V=4.5m，風筒出口距離掌子面的距離L=25.6m，風筒附壁水平距離對流場及瓦斯分布影響如圖4所示。

由圖4速度流線分布可知，風筒出口射流流場存在著明顯的幾個區域，即附壁射流區、沖擊射流區、渦流區和回流區，高速射流沖擊掌子面后，受壁面作用反向流動。隨著平距逐漸增大，風流動能損失降低，返流逐漸向上下兩側擴散，尤其是平距H=3.0m時，射流區與回流區的相互作用增強，在風筒側上下形成了兩個較大的渦流區。根據Z=140m時瓦斯濃度分布云圖可以清晰觀察到，隨著平距增加，隧道內遠離風筒側的瓦斯濃度逐漸減小。當風筒平距H=1.5m時，風流經過掌子面從另一側底板流出，瓦斯積聚嚴重，瓦斯質量分數超過0.10%。風筒平距H為2.25m和3.0m時的風流運動與1.5m時有所不同，風流在掌子面處折返時分為上下兩部分，一部分從巷道中間沿頂部流出，另一部分則是從另一側底板流出，瓦斯積聚作用減弱，擴散效應增強，瓦斯質量分數基本維持在0.73%～0.82%，相對于風筒平距1.5m時的另一側底板瓦斯濃度明顯降低。雖然風筒平距為3.0m時的瓦斯濃度比2.25m時的瓦斯濃度低，但是回流區體積大于其它兩種工況，極易造成風流裹挾瓦斯積聚在靠近掌子面上部，存在瓦斯超限的問題。綜合以上風流特性及瓦斯分布分析，大斷面瓦斯隧道壓入式風筒附壁水平距離H的合理位置為2.25m。

4.2 風筒垂直距離對風流流動及瓦斯濃度分布的影響

根據以上對風筒貼壁水平距離的分析，得出合理的平距H=2.25m，將風筒出風口距掌子面的距離L設置為25.6m，研究風筒垂距V在 3.0m、4.5m、6.0m工況條件下的風流特性及瓦斯濃度分布規律。

由圖5可知，距隧道掌子面5～30m風流明顯分為射流區、渦流區和回流區。隨著風筒垂距的增加，渦流區位置越來越靠近隧道頂板且渦流范圍也隨之增加，渦流強度卻逐漸降低。當風筒固定垂距為3.0m時，風流場在靠近風筒出口處上方位置形成穩定的渦流場，渦流比較集中，返流流速高于另外兩種工況。從隧道斷面Y=2.0m的瓦斯分布云圖可知，由于風筒布置在隧道單側，射流沖擊掌子面容易造成風筒相對側瓦斯聚集，質量分數高于0.1%。瓦斯在隧道內的擴散受風流載氣運動的影響，未布置風筒的巷道側壁瓦斯濃度高，風筒側壁的瓦斯濃度極低，渦流中心形成負壓，不利于局部瓦斯等有害氣體的稀釋與擴散。隨著風筒垂直距離從3.0m增加到6.0m時，瓦斯分布受渦流作用減弱，沿風筒相對側逐漸向隧道中后部擴散，降低了瓦斯在工作區的聚集。風筒垂距為6.0m時的渦流效應相對垂距3.0m和4.5m兩組工況時減弱程度明顯，但在隧道上部風流速度較小，渦流區面積顯著增大，容易形成8～10m瓦斯滯留區，瓦斯擴散難度增大，危險性較高。上述規律表明，隧道風筒垂直距離主要影響風流渦流區的位置和大小，進而影響瓦斯擴散效率，相對較低時容易在隧道底部形成瓦斯回流增強區，相對位置較高時，雖然下部瓦斯聚集效應減弱，但是隧道上部瓦斯聚集區顯著增大，因此，選擇風筒垂距V=4.5m布置風筒，既可以兼顧施工技術和安裝條件，同時又能有效降低工作面瓦斯積聚的風險。

4.3 風筒出口距離掌子面的距離對風流流動及瓦斯

濃度分布的影響

基于以上對風筒平距和垂距對風流流場和瓦斯分布規律的影響，得出了平距和垂距的相對合理布置參數H=2.25m，V=4.5m。進一步研究大斷面瓦斯隧道風筒出口距掌子面距離L的作用規律，將L分別為設置為12.8m、25.6m、38.4m、51.2m四種模擬工況。通過分析距離掌子面60m左右風流流場和隧道中軸縱剖面X=0m時的瓦斯濃度分布場，得到圖6所示的速度和瓦斯質量分數。

從速度流線圖中可知，隨著風筒出口距離掌子面的距離越大，掌子面受風筒射流的沖擊越小，掌子面處的返流能力先減小后增大，當L=12.8m時，風筒射流并未完全擴展并損失大量動能，造成返流動能減小，湍動能增強，影響范圍縮小并形成兩個不規則的渦流區。當L從25.6m增加到51.2m的過程中，掌子面受到風流的沖擊效應減弱，風筒射流尾部逐漸向隧道內偏移，渦流與回流區卻明顯擴大，這就說明L要布置在風筒射流的有效擴展射程內。然而，從隧道中軸縱剖面X=0m的瓦斯分布圖可以明顯看出，L=12.8m工況下，在2～12m的隧道中部瓦斯質量分數超過0.1%，而且在掌子面上部區域也會存在明顯的瓦斯偏高的現象。盡管L=38.4m和51.2m工況下隧道瓦斯質量分數低于0.64%，主要由于返流作用范圍較大，但掌子面附近瓦斯濃度明顯高于其它兩組，這就說明這兩種工況不能有效緩解掌子面瓦斯超限的問題。當L=25.6m時，不僅掌子面瓦斯不易積聚，同時隧道中后部瓦斯質量分數低于0.71%，兼顧經濟性和安全性，此時的風筒布置工況參數最有利于大斷面瓦斯隧道的安全施工，與劉春等[7]研究的最佳風筒出口位置的? ? ? ? ? ? 較為吻合。

從以上分析可知，風筒出風口距掌子面距離L對大斷面瓦斯隧道的風流流場和瓦斯分布影響較大，因此，選取沿隧道測線N1 （6.9m，2.5m）研究瓦斯濃度和速度的變化規律。從圖7（a）的速度曲線圖可知，除了L=12.8m風流速度異常外，隨著距掌子面的距離逐漸增大，速度先增大后減小，在20m左右達到峰值，這說明峰值速度受L的影響較小。當距掌子面80m時風流趨于穩定，? ? ? ? ? ? ?工況下隧道斷面速度分布均勻，平均速度基本能夠達到0.5m/s，可以滿足隧道的需風要求。由圖7 （b）可知，瓦斯濃度隨著距掌子面距離增大而逐漸較小，在5～20m范圍存在一個瓦斯濃度波動區， 當距離掌子面10m時，瓦斯濃度隨著L增大而逐漸減小，但L=51.2m時，極易在風筒另一側形成瓦斯聚集帶，不利于瓦斯管理。同樣可以認為L=25.6m是最優的風筒布置參數。

5 現場應用效果分析

為了驗證模擬結果得到的風筒空間布置方式的合理性及可行，將風筒空間布置參數應用在召瀘高速白兆大斷面瓦斯隧道的壓入式通風中壓入式風筒直徑d=1.5m，風筒進風量Qin=4920m3/min，風筒平距H和垂距V分別為2.25m和4.5m，風筒出風口距掌子面距離L=25.6m。選取距掌子面10m（Z=140m）的隧道斷面，沿斷面垂高分別布置三個層次共6個測點，現場實測1#、2#、3#、4#、5#、6#的速度和瓦斯質量分數，測點具體布置方案見圖8所示。

由圖9可知，數值模擬結果相對高于實測結果，但兩種方式得到的速度和瓦斯質量分數變化規律基本吻合。2#測點速度相對誤差較大，達到了27.24%，1#、4#、5#測點的相對誤差均保持在8.0%左右。同樣1#和2#測點的瓦斯相對誤差高于10.0%，充分說明這個位置處的瓦斯受風流影響較大，而4#測點相對誤差最小。但從整體上看，實測結果進一步表明了本次數值模擬得到的風筒空間布置參數合理性。

6 結論

（1）附壁風筒水平距離和垂直距離主要影響風筒射流的沖擊掌子面的返流形態和回流范圍，隨著平距的增加，返流對隧道底部和上部沖擊效應增強，風筒對側近壁面瓦斯濃度逐漸減小;隨著垂距的增加，回流區逐漸增大，瓦斯擴散逐漸向隧道中后部，降低了掌子面附近瓦斯聚集的風險。在兼顧施工技術和安裝條件，又能有效降低工作面瓦斯積聚的風險同時，可以得出風筒合理的平距和垂距分別為2.25m和4.5m。

（2）隨著風筒出口距離掌子面的距離逐漸增加，風筒沖擊掌子面的能耗降低，返流動能和形成的回流區逐漸增大，而掌子面瓦斯濃度卻顯著增加。在滿足施工經濟性和安全性的條件下，風筒出口距離掌子面的距離為25.6m時，有利于大斷面瓦斯隧道的安全施工。

（3）模擬結果得出的風筒合理的空間布置參數在實際瓦斯隧道中應用，對比結果顯示兩種方式得到的速度和瓦斯質量分數變化規律基本吻合，充分驗證了風筒空間布置參數的合理性。

參考文獻

[1]吳世勇，王鴿.錦屏二級水電站深埋長隧洞群的建設和工程中的挑戰性問題[J].巖石力學與工程學報，2010， 029（011）：2161-2171.

[2]葛雨晨.復雜條件下山嶺公路隧道施工安全保障關鍵技術與應用研究[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[3]楊秀權，平正杰.復雜地質條件下長大隧道施工安全管理對策探討[J].隧道建設，2009，29（S2）：7-12.

[4]陳家清，胡運兵，朱一堅，等.瓦斯隧道施工期間的瓦斯防治與管理[J].礦業安全與環保，2009，36（02）：60-61+72.

[5]張磊，李永福，孫杰，等.瓦斯隧道施工通風流場及瓦斯遷移研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（01）：184-190.

[6]王文才，鄧連軍，張志浩，等.掘進工作面局部通風風筒懸掛位置的數值模擬[J].礦業安全與環保，2018，45（06）：15-19+24.

[7]王海橋.掘進工作面射流通風流場研究[J].煤炭學報，1999（05）：498-501.

[8]張云龍，郭春，徐建峰，等.隧道掌子面施工風管布設方式對稀釋瓦斯效果影響研究[J].鐵道標準設計，2016，60（08）：95-100.

[9]劉春，杜俊生，郭臣業，等.大斷面瓦斯隧道風筒布置對瓦斯濃度的影響研究[J].現代隧道技術，2019，56（05）：114-121.

[10]張大明，馬云東，羅根華.綜掘工作面壓入式風筒出口有效距離研究[J].安全與環境學報，2016，16（04）：186-191.

[11] Javier Tora?o， Susana Torno， Mario Menendez， et al. Models of methane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining[J]. International Journal of Coal Geology，2009，80（1）：35-43.

[12]朱紅青，朱帥虎，賈國偉.大斷面掘進壓入式風筒最佳高度的數值模擬[J].安全與環境學報，2014，14（01）：25-28.

[13]龔曉燕，莫金明，惠雙琳，等.煤礦掘進巷道風筒附壁距離對風流場的影響[J].煤礦安全，2017，48（04）：203-206.

[14]王海橋，施式亮，劉榮華，等.獨頭巷道附壁射流通風流場數值模擬研究[J].煤炭學報，2004（04）：425-428.

[15]王海橋，陳世強，李軼群.獨頭巷道受限貼附射流有效射程的理論研究與數值計算[J].中國安全生產科學技術，2015，11（11）：41-45.